ic 555
-
Upload
miftakhudaa -
Category
Documents
-
view
77 -
download
10
description
Transcript of ic 555
Bab III
Operational Amplifier
Karakteristik Op-Amp
Kalau perlu mendesain sinyal level meter, histeresis pengatur suhu, osilator,
pembangkit sinyal, penguat audio, penguat mic, filter aktif semisal tapis nada bass,
mixer, konverter sinyal, integrator, differensiator, komparator dan sederet aplikasi
lainnya, selalu pilihan yang mudah adalah dengan membolak-balik data komponen yang
bernama op-amp. Komponen elektronika analog dalam kemasan IC (integrated circuits)
ini memang adalah komponen serbaguna dan dipakai pada banyak aplikasi hingga
sekarang. Hanya dengan menambah beberapa resitor dan potensiometer, dalam
sekejap (atau dua kejap) sebuah pre-amp audio kelas B sudah dapat jadi dirangkai di
atas sebuah proto-board.
3.1 Penguat diferensial
Op-amp dinamakan juga dengan penguat diferensial (differential amplifier).
Sesuai dengan istilah ini, op-amp adalah komponen IC yang memiliki 2 input tegangan
dan 1 output tegangan, dimana tegangan output-nya adalah proporsional terhadap
perbedaan tegangan antara kedua inputnya itu. Penguat diferensial seperti yang
ditunjukkan pada gambar-1 merupakan rangkaian dasar dari sebuah op-amp.
Gambar V.1 Penguat diferensial
PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB Ismail Muchsin, ST., MT
ELETRONIKA & MOTOR LISTRIK 1
Pada rangkaian yang demikian, persamaan pada titik Vout adalah Vout = A(v1-v2)
dengan A adalah nilai penguatan dari penguat diferensial ini. Titik input v1 dikatakan
sebagai input non-iverting, sebab tegangan vout satu phase dengan v1. Sedangkan
sebaliknya titik v2 dikatakan input inverting sebab berlawanan phasa dengan tengangan
vout.
3.2 Diagram Op-amp
Op-amp di dalamnya terdiri dari beberapa bagian, yang pertama adalah penguat
diferensial, lalu ada tahap penguatan (gain), selanjutnya ada rangkaian penggeser level
(level shifter) dan kemudian penguat akhir yang biasanya dibuat dengan penguat push-
pull kelas B. Gambar-2(a) berikut menunjukkan diagram dari op-amp yang terdiri dari
beberapa bagian tersebut.
Gambar V.2 (a) : Diagram blok Op-Amp
Gambar V.2 (b) : Diagram schematic simbol Op-Amp
Simbol op-amp adalah seperti pada gambar-2(b) dengan 2 input, non-inverting
(+) dan input inverting (-). Umumnya op-amp bekerja dengan dual supply (+Vcc dan –Vee)
namun banyak juga op-amp dibuat dengan single supply (Vcc – ground). Simbol
rangkaian di dalam op-amp pada gambar-2(b) adalah parameter umum dari sebuah op-
amp. Rin adalah resitansi input yang nilai idealnya infinit (tak terhingga). Rout adalah
PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB Ismail Muchsin, ST., MT
ELETRONIKA & MOTOR LISTRIK 2
resistansi output dan besar resistansi idealnya 0 (nol). Sedangkan AOL adalah nilai
penguatan open loop dan nilai idealnya tak terhingga.
Saat ini banyak terdapat tipe-tipe op-amp dengan karakterisktik yang spesifik.
Op-amp standard type 741 dalam kemasan IC DIP 8 pin sudah dibuat sejak tahun 1960-
an. Untuk tipe yang sama, tiap pabrikan mengeluarkan seri IC dengan insial atau nama
yang berbeda. Misalnya dikenal MC1741 dari motorola, LM741 buatan National
Semiconductor, SN741 dari Texas Instrument dan lain sebagainya. Tergantung dari
teknologi pembuatan dan desain IC-nya, karakteristik satu op-amp dapat berbeda
dengan op-amp lain. Tabel-1 menunjukkan beberapa parameter op-amp yang penting
beserta nilai idealnya dan juga contoh real dari parameter LM714.
Table V.1 Parameter op-amp yang penting
3.3 Penguatan Open-loop
Op-amp idealnya memiliki penguatan open-loop (AOL) yang tak terhingga. Namun
pada prakteknya op-amp semisal LM741 memiliki penguatan yang terhingga kira-kira
100.000 kali. Sebenarnya dengan penguatan yang sebesar ini, sistem penguatan op-
amp menjadi tidak stabil. Input diferensial yang amat kecil saja sudah dapat membuat
outputnya menjadi saturasi. Pada bab berikutnya akan dibahas bagaimana umpan balik
bisa membuat sistem penguatan op-amp menjadi stabil.
3.4 Unity-gain frequency
Op-amp ideal mestinya bisa bekerja pada frekuensi berapa saja mulai dari sinyal
dc sampai frekuensi giga Herzt. Parameter unity-gain frequency menjadi penting jika op-
PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB Ismail Muchsin, ST., MT
ELETRONIKA & MOTOR LISTRIK 3
amp digunakan untuk aplikasi dengan frekuensi tertentu. Parameter AOL biasanya
adalah penguatan op-amp pada sinyal DC. Response penguatan op-amp menurun
seiring dengan menaiknya frekuenci sinyal input. Op-amp LM741 misalnya memiliki
unity-gain frequency sebesar 1 MHz. Ini berarti penguatan op-amp akan menjadi 1 kali
pada frekuensi 1 MHz. Jika perlu merancang aplikasi pada frekeunsi tinggi, maka
pilihlah op-amp yang memiliki unity-gain frequency lebih tinggi.
3.5 Slew rate
Di dalam op-amp kadang ditambahkan beberapa kapasitor untuk kompensasi
dan mereduksi noise. Namun kapasitor ini menimbulkan kerugian yang menyebabkan
response op-amp terhadap sinyal input menjadi lambat. Op-amp ideal memiliki
parameter slew-rate yang tak terhingga. Sehingga jika input berupa sinyal kotak, maka
outputnya juga kotak. Tetapi karena ketidak idealan op-amp, maka sinyal output dapat
berbentuk ekponensial. Sebagai contoh praktis, op-amp LM741 memiliki slew-rate
sebesar 0.5V/us. Ini berarti perubahan output op-amp LM741 tidak bisa lebih cepat dari
0.5 volt dalam waktu 1 us.
3.6 Parameter CMRR
Ada satu parameter yang dinamakan CMRR (Commom Mode Rejection Ratio).
Parameter ini cukup penting untuk menunjukkan kinerja op-amp tersebut. Op-amp
dasarnya adalah penguat diferensial dan mestinya tegangan input yang dikuatkan
hanyalah selisih tegangan antara input v1 (non-inverting) dengan input v2 (inverting).
Karena ketidak-idealan op-amp, maka tegangan persamaan dari kedua input ini ikut
juga dikuatkan. Parameter CMRR diartikan sebagai kemampuan op-amp untuk
menekan penguatan tegangan ini (common mode) sekecil-kecilnya. CMRR
didefenisikan dengan rumus CMRR = ADM/ACM yang dinyatakan dengan satuan dB.
Contohnya op-amp dengan CMRR = 90 dB, ini artinya penguatan ADM (differential mode)
adalah kira-kira 30.000 kali dibandingkan penguatan ACM (commom mode). Kalau
CMRR-nya 30 dB, maka artinya perbandingannya kira-kira hanya 30 kali. Kalau
diaplikasikan secara real, misalkan tegangan input v1 = 5.05 volt dan tegangan v2 = 5
volt, maka dalam hal ini tegangan diferensialnya (differential mode) = 0.05 volt dan
tegangan persamaan-nya (common mode) adalah 5 volt. Pembaca dapat mengerti
dengan CMRR yang makin besar maka op-amp diharapkan akan dapat menekan
penguatan sinyal yang tidak diinginkan (common mode) sekecil-kecilnya. Jika kedua pin
PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB Ismail Muchsin, ST., MT
ELETRONIKA & MOTOR LISTRIK 4
input dihubung singkat dan diberi tegangan, maka output op-amp mestinya nol. Dengan
kata lain, op-amp dengan CMRR yang semakin besar akan semakin baik.
3.7 Penutup bagian ke-satu
LM714 termasuk jenis op-amp yang sering digunakan dan banyak dijumpai
dipasaran. Contoh lain misalnya TL072 dan keluarganya sering digunakan untuk
penguat audio. Tipe lain seperti LM139/239/339 adalah opamp yang sering dipakai
sebagai komparator. Di pasaran ada banyak tipe op-amp. Cara yang paling baik pada
saat mendesain aplikasi dengan op-amp adalah dengan melihat dulu karakteristik op-
amp tersebut. Saat ini banyak op-amp yang dilengkapi dengan kemampuan seperti
current sensing, current limmiter, rangkaian kompensasi temperatur dan lainnya. Ada
juga op-amp untuk aplikasi khusus seperti aplikasi frekuesi tinggi, open colector output,
high power output dan lain sebagainya. Data karakteristik op-amp yang lengkap, ya ada
di datasheet
Bab IV
Osilator Relaksasi
Telah dimaklumi, umpanbalik positif dapat menimbulkan osilasi pada keluaran
sistem loop tertutup. Pada tulisan berikut dipaparkan tipe osilator yang paling sederhana
yang dinamakan osilator relaksasi (relaxation oscillator). Osilator pembangkit gelombang
ini dibuat dengan op-amp komparator misalnya LM393.
4.1 Histeresis umpanbalik positif
Rangkaian VI.1 berikut adalah rangkaian osilator dengan satu komparator. Mari
kita analisa rangkaian ini bagian perbagian. Bagian pertama adalah rangkaian
PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB Ismail Muchsin, ST., MT
ELETRONIKA & MOTOR LISTRIK 5
umpanbalik (feedback) positif yang terdiri dari resistor R1 dan R2. Kedua resistor ini
tidak lain merupakan pembagi tegangan yang meng-umpanbalik-kan sebagian porsi dari
tegangan output komparator. Tengangan umpanbalik ini diumpankan kembali pada
masukan referensi positif komparator LM393. Kita sebut saja titik masukan ini titik
referensi positif atau dengan notasi +vref. Karena tegangan output komparator op-amp
bisa mecapai titik tertinggi (+Vsat) dan bisa juga ada pada titik terendah (-Vsat), maka
tegangan titik referensi ini juga akan berubah-ubah.
Jika tegangan keluaran op-amp ada pada titik tertinggi (+Vsat) maka tengangan
referensi op-amp pada saat ini adalah +vref = +BVsat. B diketahui adalah porsi
tegangan umpanbalik yaitu B = (R1/R2+R1). Kita sebut tegangan ini titik UTP (upper trip
point). Sebaliknya jika tegangan keluaran komparator ada pada titik terendah (-Vsat),
maka tegangan referensi positif pada saat ini adalah +vref = -BVsat dan kita namakan
tegangan tersebut titik LTP (lower trip point). Ini dikenal dengan histeresis.
Gambar VI.1 rangkaian osilator relaksasi dengan op-amp
4.2 Osilasi relaksasi
Bagian lain dari rangkaian gambar-1 adalah rangkaian umpanbalik negatif yang
terdiri dari resistor R dan kapasitor C. Sama halnya seperti rangkain umpanbalik positif,
tegangan referensi negatif pada bagian ini juga akan berubah-ubah tergantung dari
PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB Ismail Muchsin, ST., MT
ELETRONIKA & MOTOR LISTRIK 6
tegangan keluaran pada saat itu. Kita sebut saja titik referensi komparator ini -vref.
Bedanya, pada rangkaian umpanbalik negatif ada komponen C yang sangat berperan
dalam pembentukan osilasi. Tegangan -vref akan berbentuk eksponensial sesuai
dengan sifat pengisian kapasitor. Dari keadaan kapasitor C yang kosong, tegangan
akan menaik secara ekponensial. Namun pada rangkaian ini tegangan -vref tidak akan
dapat mencapai tegangan tertinggi +Vsat. Karena ketika tegangan -vref sudah
mencapai titik UTP maka keluaran komparator op-amp akan relaks menjadi -Vsat.
Demikian juga sebaliknya ketika tegangan keluaran op-amp relaks pada titik
saturasi terendah -Vsat, kapasitor C kembali kosong secara eksponensial. Tentu saja
pengosongan kapasitor C tidak akan sampai menyebabkan tegangan -vref mencapai -
Vsat. Ingat jika tegangan keluaran op-amp pada titik saturasi terendah (-Vsat), tegangan
referensi positif berubah menjadi titik LTP, sehingga ketika -vref < LTP tegangan
keluaran op-amp kembali relaks ke titik saturasi tertinggi (+Vsat). Demikian seterusnya
sehingga terbentuk osilasi pada keluaran komparator.
4.3 Frekuensi osilator
Demikian prinsip kerja osilator ini dan dinamakan osilator relaksasi sebab
tegangan keluarannya relaks pada titik saturasi tertinggi dan terendah. Berapa frekuensi
osilator yang dapat dibuat, bisa dihitung dari kecepatan pengisian dan pengosongan
kapasitor C melalui resistasi R. Pada gambar diagram waktu gambar-2, hendak
ditentukan berapa perioda T dari osilator. Karena T = 2t maka dihitung saja berapa nilai
t. Pada contoh ini t = t2-t1.
PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB Ismail Muchsin, ST., MT
ELETRONIKA & MOTOR LISTRIK 7
Gambar VI.2 diagram waktu frekuensi osilator
Masing-masing pada saat t2 dan t1 tengangan kapasitor adalah
Vt2 = Vsat (1-e-t2/RC) dan
Vt1 = Vsat (1 - e-t1/RC)
Perhatikan bahwa Vt2 = +BVsat dan Vt1 = -BVsat.
Dengan mengaplikasikan persamaan matematika eksponensial dari persamaan di atas
akan diperoleh :
t = t2-t1 = RC ln [( 1+B)/(1-B)]
dan
T = 2t = 2RC ln [( 1+B)/(1-B)]
Tentu frekuensi osilator dapat dihitung dengan f = 1/T. Sebagai contoh pada rangkaian
gambar 1, jika dihitung maka akan didapat T = 589 us atau f = 1.7 kHz.
PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB Ismail Muchsin, ST., MT
ELETRONIKA & MOTOR LISTRIK 8
Bab V
Osilator satu op-amp pembangkit gelombang sinus
Wien-bridge oscillator
Pembangkit gelombang sinus merupakan instrumen utama yang perlu ada
dalam tiap bengkel disain elektronika. Misalnya diperlukan untuk pengujian rangkaian
audio HiFi yang memerlukan sinyal sinusoidal sebagai input. Pada tulisan ini akan
dibahas fenomena osilator, bagaimana cara sinyal ini dibangkitkan dan realisasi
rangkaiannya. Ada banyak tipe-tipe osilator yang dikenal sesuai dengan nama
penemunya antara lain Amstrong, Colpitts, Hartley dan lain sebagainya. Namun pada
tulisan kali ini akan di kemukan osilator Wien-bridge yang dapat direalisasikan dengan
satu op-amp dan beberapa komponen pasif.
5.1 Bagaimana terjadi osilasi
PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB Ismail Muchsin, ST., MT
ELETRONIKA & MOTOR LISTRIK 9
Fenomena osilasi tercipta karena ada ketidak-stabilan pada sistem penguat
dengan umpanbalik. Untuk lebih jelas dapat dilihat pada gambar berikut, yaitu sistem
penguat A dengan umpan balik B. Biasanya sistem umpanbalik dibuat untuk mencapai
suatu keadaan stabil pada keluarannya dengan mengatur porsi penguatan umpanbalik
dengan nilai tertentu. Namun ada suatu keadaan dimana sistem menjadi tidak stabil.
Secara matematis sistem ini dimodelkan dengan rumus 1.
Gambar VII.1 : sistem penguat dengan umpanbalik
Rumus 1 model sistem penguat
Pada rumus 1, sistem menjadi tidak stabil jika 1+AB = 0 atau AB= -1. Sehingga
Vout/Vin pada rumus tersebut nilainya menjadi infinite. Keadaan ini dikenal dengan
sebutan kriteria Barkhausen. AB = -1 dapat juga ditulis dengan :
AB = 1 (F - 180o)
Inilah syarat terjadinya osilasi, jika dan hanya jika penguatan sistem keseluruhan
= 1 dan phasa sinyal tergeser (phase shift) sebesar 180o. Seperti yang sudah diketahui
pada rangkain filter pasif, satu tingkat (single pole) rangkaian RL atau RC dapat
menggeser phasa sinyal sebesar 90o. Setidak-tidaknya diperlukan rangkaian penggeser
phase 2 tingkat agar phasa sinyal tergeser 180o. Sebenarnya rangkaian LC adalah
pengeser phase 2 tingkat, namun untuk aplikasi frekuensi rendah (< 1 MHz) akan
diperlukan nilai induktansi L yang relatif besar dengan ukuran fisik yang besar juga.
PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB Ismail Muchsin, ST., MT
ELETRONIKA & MOTOR LISTRIK 10
Sehingga pada kali dihindari pemakaian induktor L tetapi menggunakan rangkaian
penggeser phasa RC 2 tingkat.
Gambar VII.2 rangkaian penggeser phasa RC 2 tingkat
Inilah rangkaian RC yang akan digunakan sebagai rangkaian umpanbalik pada sistem
pembangkit gelombang sinus yang hendak dibuat.
5.2 Rangkaian osilator Wien-bridge dengan satu op-amp
Osilator dinamakan demikian karena penemunya Max Wien lahir tahun 1866 di
Kaliningrad Rusia dan tinggal di Jerman adalah orang pertama yang mencetuskan ide
penggeser phasa 2 tingkat. Secara utuh bentuk rangkaian tersebut ada pada gambar
VI.3 berikut. Rangkain ini merupakan analogi dari sistem umpanbalik seperti model
gambar-1. Tentu anda sekarang dapat menunjukkan dimana penguat A dan yang mana
umpanbalik dengan penguatan B.
PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB Ismail Muchsin, ST., MT
ELETRONIKA & MOTOR LISTRIK 11
Gambar VII.3 rangkaian wien-bridge oscillator
Dari teori diketahui penguatan A adalah penguatan op-amp yang dibentuk oleh
rangkaian resistor Rf dan Rg yang dirangkai ke input negatif op-amp. Rumus
penguatannya adalah :
Rumus 2 penguatan op-amp
Pada rangkain gambar VII.3 diketahui Rf = 2Rg, sehingga dengan demikian
besar pengguat A = 3. Dengan hasil ini, untuk memenuhi syarat terjadinya osilasi
dimana AB = 1 maka B penguatannya harus 1/3. Karena keterbatasan ruang, pembaca
dapat menganalisa sendiri rangkaian penggeser phasa pada gambar-2 dengan
pesyaratan osilasi yaitu Vout/Vin = 1/3. Pembaca akan menemukan bahwa rangkaian
penggeser phasa tersebut akan mencapai nilai maksimum pada satu frekuensi tertentu.
Nilai maksimun ini akan tercapai jika wC = R dan diketahui w = 2pf. Selanjutnya jika
diuraikan dapat diketahui besar frekuensi ini adalah :
PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB Ismail Muchsin, ST., MT
ELETRONIKA & MOTOR LISTRIK 12
Rumus 3 frekuensi resonansi
Ini yang dikenal dengan sebutab frekuensi resonansi (resonant frequency). Dengan
demikian osilator wien yang dibuat akan menghasilkan gelombang sinus dengan
frekuensi resonansi tersebut.
5.3 Dimana Jembatannya
Mengapa rangkaian ini diberi embel-embel jembatan (bridge) ? Dimana
jembatannya ? Pertanyaan ini mungkin sedikit mengganggu pikiran anda yang tidak
melihat ada jembatan pada rangkaian gambar VI.3. Bagaimana kalau gambar VI.3 di
buat kembali menjadi gambar VI.4 berikut ini.
Gambar VII.4 jembatan Wien
Tentu sekarang anda sudah dapat melihat ada jembatannya bukan. Ya, rangkaian yang
berbentuk seperti dioda bridge itulah jembatannya, jembatan Wien.
5.4 Distorsi frekuensi resonansi
PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB Ismail Muchsin, ST., MT
ELETRONIKA & MOTOR LISTRIK 13
Dengan menggunakan rumus 3, rangkaian gambar VII.3 (atau gambar VII.4)
akan menghasilkan gelombang sinusoidal dengan frekuensi 1.59 kHz. Tetapi kalau anda
berkesempatan mencoba rangkaian ini dan mengukur hasilnya dengan osiloskop atau
frekuesi counter, ternyata frekuensi resonansinya adalah 1.65 kHz. Hal ini memang
diketahui karena adanya distorsi pada rangkaian penggeser phasa yang non-linier.
Untuk mengkompensasi distorsi tersebut, dapat digunakan rangkaian umpanbalik
nonlinear. Misalnya dengan mengganti resistor Rg dengan lampu dc 6volt 1 watt, tentu
besar resistor Rf juga harus disesuaikan agar tetap nilainya lebih kurang 2Rg. Besar
arus yang melewati lampu tidak akan menyalakannya, tetapi cukup untuk memanaskan
filamennya. Besar resistansi lampu akan berubah-ubah karena pasan sesuai dengan
besar arus yang melewatinya. Ini yang membuat penguatan op-amp mejadi tidak liner.
Pada rangkaian pembangkit sinyal sinus jembatan Wien yang lebih profesional biasanya
kompensasi ini dibuat dengan menambahkan rangkaian AGC (automatic gain
controller).
PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB Ismail Muchsin, ST., MT
ELETRONIKA & MOTOR LISTRIK 14